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문제 정의
- 본 연구에서는 일방향 케블라/에폭시로 제작된 복합소재 튜브에 대한 트리거 모델링과 해석 기법을 확립하고 이를 시험과 비교를 통해 검증하였다. 이를 위해 상용 외연적 유한요소 코드인 LS-DYNA를 사용하였고, 2D 쉘 유한요소 모델에 Chang-Chang 파손 이론을 적용하여 에너지 흡수 특성을 해석적 방법으로 확인하였다.
제안 방법
- 복합소재 튜브의 길이방향을 0°, 원주방향을 90°로 섬유 방향을 설정하였다.
- 본 연구에서는 일방향 케블라/에폭시 튜브에 다양한 트리거 모델을 적용하여 해석을 수행하였으며, 시험 결과와 비교하였다. 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 성형조건은 분당 3.5°C로 135°C까지 온도를 올리고 135°C에서 1시간 30분 유지한 후 1시간에 걸쳐 온도를 상온까지 내렸다.
- 압괴과정 중 좌굴에 의한 튜브벽면 간의 접촉을 고려하기 위해 “CONTACT_AUTOM ATIC_SINGLE_SURFACE” 옵션을 사용하였으며 튜브 바닥은 회전 구속 없이 X, Y 변위만 구속시켰다.
- 원형튜브의 제작과정은 먼저 일방향 프리프레그를 직경 30mm 의 원형 금속파이프에 렙퍼(wrapper 또는 wrapping machine)를 이용하여 감고, 이를 오븐에서 성형하여 1m 길이의 복합소재 원형파이프를 제작하였다. 성형조건은 분당 3.
- 트리거 모델에 대한 압괴거동은 두 가지 관점에서 살펴보았다. 첫 번째는 압괴 초기단계에서 좌굴의 발생 여부를 살펴보았고, 두 번째로는 최대하중을 시험결과와 비교하였다. 압괴 초기단계에서 좌굴이 발생하는 경우는 에너지가 흡수되지 못함을 뜻하고, 최대 하중이 높은 것은 트리거의 강성이 높아 탄성영역, 트리거 붕괴영역의 거동이 일치하지 않으며 좌굴 발생의 원인이 된다.
- Table 4는 트리거 형상에 따른 에너지 흡수 특성을 시험결과와 비교한 것이다. 최대압괴길이는 변위 70~90mm에서 하중이 감소 후 증가하는 위치를 선정하였으며, 이 값을 이용하여 Est, Esp, 평균하중을 계산하였다. 다만 타입 1b 트리거 모델은 압괴길이 35mm에서 좌굴이 발생한 후 점진적으로 하중이 증가하여 최대압괴길이의 파악이 어려워 제외하였다.
- 56kN이다. 최대하중이 지나고 60mm 부근에서 1, 3 시편, 70mm 부근에서 2, 4, 5번 시편이 좌굴 (global buckling) 모드로 파단이 진행되었다. 압괴길이 80mm 부근에서 튜브 벽면의 접힘부가 쌓여서 압괴가 진행되지 않고 하중이 급격히 증가하게 된다.
- 축방향 압축시험은 일방향 케블라/에폭시 튜브에 대해 각각 5회 수행되었다. Table 3은 시험 후 얻은 에너지 흡수특성을 나타낸 것이다.
- 71을 이용하였다. 해석 시간을 줄이기 위해 모든 요소를 4절점 under integrated Belyrschko-Tsay 쉘로 사용하였고 요소의 크기는 복합재 두께의 2배 크기로 모델링하였다. Under integrated 쉘의 non- physical, 제로-에너지 모드 (zero-energy mode)를 억제하기 위해서 FlanganBelyschko 강성 이론[6]을 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 일방향 케블라/에폭시 프리프레그 (케블라 섬유 - K49, Dupont, USA)와 R1222 (HFG, Co.) 수지를 이용하여 복합소재 튜브를 제작하였다. 복합소재 튜브에 적용된 소재의 기본 물성치는 Table 1과 같다[5].
- 복합소재 튜브의 길이방향을 0°, 원주방향을 90°로 섬유 방향을 설정하였다. 케블라/에폭시 튜브의 적층구조는 [90/0]11으로 두께는 2.2mm 이다. 튜브의 한쪽 끝단에는 45° 베벨트리거 가공을 하였고 시편의 치수와 형상은 Fig.
- 트리거 타입 1은 해석 모델의 요소 크기에 맞춰 4.4mm 상단 트리거가 만들어진 모델이며, 타입 2, 3은 타입 1의 상단트리거를 1/2 크기로 분할한 것이다. 타입 3는 두께는 변화 시키지 않고 강도의 변화를 준 모델이다.
이론/모형
- 해석 시간을 줄이기 위해 모든 요소를 4절점 under integrated Belyrschko-Tsay 쉘로 사용하였고 요소의 크기는 복합재 두께의 2배 크기로 모델링하였다. Under integrated 쉘의 non- physical, 제로-에너지 모드 (zero-energy mode)를 억제하기 위해서 FlanganBelyschko 강성 이론[6]을 적용하였다.
- 복합재 모델은 Chang-Chang 파손식[7]~[8]을 적용한 MAT054“MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE”를 이용하였다.
- 유한 요소 해석은 외연적 코드인 LS-DYNA 9.71을 이용하였다. 해석 시간을 줄이기 위해 모든 요소를 4절점 under integrated Belyrschko-Tsay 쉘로 사용하였고 요소의 크기는 복합재 두께의 2배 크기로 모델링하였다.
- 본 연구에서는 일방향 케블라/에폭시로 제작된 복합소재 튜브에 대한 트리거 모델링과 해석 기법을 확립하고 이를 시험과 비교를 통해 검증하였다. 이를 위해 상용 외연적 유한요소 코드인 LS-DYNA를 사용하였고, 2D 쉘 유한요소 모델에 Chang-Chang 파손 이론을 적용하여 에너지 흡수 특성을 해석적 방법으로 확인하였다.
성능/효과
- ∙트리거의 두께를 조절하여 얻은 결과로부터 상단트리거가 하단트리거의 25% 두께 (타입 1a, 2c)일 때, 가장 유사한 에너지흡수 특성 및 하중값을 보였다.
- 5는 압괴길이 80mm에서의 형상을 보여주고 있다. 총 15개의 트리거 모델 중 타입 1a, 1c, 2c, 2f, 3a가 초기좌굴 없이 안정적인 압괴 거동을 보였다.
- 타입 1a는 초기 선형구간의 기울기는 유사하지만 트리거가 파단되어 하중이 감소하는 현상이 발생한다. 최대하중 후 압괴 진행과정에서 시험치와 유사한 거동을 보였으며 불안정한 거동 없이, 순차적인 접힘으로 84.9mm에서 최대 압괴가 되었다. 타입 2c는 초기 선형구간의 기울기와 최대하중이 상당히 유사하며, 최대하중 후 압괴 진행과정에서도 시험치와 유사한 거동을 보였다.
- 해석과 시험의 결과 차이는 이전에 언급한 트리거부 모델링과 실제의 차이, 시험편의 불균일성 (시험편의 경우 원형 금속 튜브에 복합소재를 말아서 제작하였기 때문에 원주방향으로 시편의 두께가 균일하지 않다) 등에 기인한 것으로 판단된다.
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